论文研究-光控相控阵天线的微波波束成形技术研究 .pdf

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光控相控阵天线的微波波束成形技术研究,杨佳,,相控阵雷达技术为解决诸如如何在强杂波、强干扰和硬打击条件下工作等问题提供了很大的技术潜力,因此其发展更是受到了国内外的普
国武技论文在线 )这类色散结构都具有按定规律排布的色散元件或衍射结构(对于色散光纤来说, 是其相对长度不同,对于光纤光栅则是使光栅等效反射中心位置相对移动),通过改变光源 波长引起色散原件产生不同的色散延时或光源发生衍射产生不同延时,从而得到不同的延时 差,最终实现波束扫描 )具有较大的扫描角度,而且当光源波长连续可调节时,雷达就能够实现连续的扫描, 精度比较高。 )对器件和制造工艺的要求比较高。要实现连续可调就必须有能实现多波长连续可调 旳高性能激光器,而且对色散光纤、平面波导的制作以及对光栅本身的刻制、精确定位、连 接都要求有较高的工艺和操作水平。 )由于对采用的元件或装置的制作工艺和性能的要求比较高,因此采用这类技术的相 控阵雷达价柊昂贵。 )这些技术出现在九十年代中后期,随着技术的进步,这些延时结构也有了很大的改 进 光控相控阵雷达的微波波束成形原理研究分析 微波波束成形原理 通过推导,作者得出光控相控阵雷达的方向函数为: (e-b) (b)= 当移相器引入的相移φ抵销了由于单元间波程差引起的相位差,即ψ一φ r(2)0时,则在偏离法线的O角度方向上,由于电场同相叠加而获得最大值。这 时,波束指向由阵列法线方向θ=变到θ。可见,控制各移相器的相移可改变同相波前 的位置,从而改变波束指向,达到扫描目的 微波波束成形仿真 基」上述原理分析,作者进行了 的仿真。仿真过程中的参数选取思路如下: 的限定是由于要避免岀现栅洴。为了不出现栅瓣,根据上文的分析,要满足 又因为在波束扫措时,扫描的偏角θ越大,波束越宽,天线增益越小,因而天线波束性能 变差。在日方向上相应的半功率波束宽度6为p 日 可见,日方向的半功率波束宽度b与扫描角余弦值成反比。愈大,波束展 宽越历害。如图所示。 国武技论文在线 图不同扫描角对应的波束形状对比 图中红色线是当扫描角为丌时的波束,蓝色线是当扫措角为x时的波東。显 而易见,当扫描角为x时的波束要比扫描角为x时的波束宽。所以通常,相控阵 天线扫描角限制在±°之内 通过以上分析,暂取 这样满足了抑制栅瀝的需求。扌描角度范围为 仿真结果如图所示。 由该图可见,当扫描角θ改变的时候,主瓣的方向随之变化,也即扫描方向随的变 化而变化,从而实现了通过相位控制雷达扫描方向。 图光控相控阵雷达黴波波束成形 光控相控阵性能分析及优化 技术含量高,耗资比重大的相控阵天线是整部相控阵雷达举足轻重的分系统。在·定程 度上,相控阵天线决定雷达的系统方案。因此在本章将讨论如何优化相控阵天线的性能。 相控阵天线的性能取决于下列五个要素:阵元数,阵元的空间位置,阵元的激励复电流, 阵元的结构形式,阵元的馈电方式。本章仅从阵元数和阵元的空间位置这两个方面进行讨论 做出简单的定性分析。 阵元数对微波波束形状以及性能的影响 图说明了阵元数对微波波束形状的影响。红色为时付的相控阵发射波束,绿色为 吋的相控阵发射波束。显然,红色的波束宽度较窄,旁电平也得到了‘定的抑制,性 能较好。 国武技论文在线 佟阵元数对微波波束形状的影响 阵元的空间位置对微波波束形状以及性能的影响 附近有金属物和介质体时,天线上的电流会收到影响而重新分布。因此,阵列天线阵元 上的电流受到邻近阵元的影响会与该阵元孤立存在于自由空间时不太一样,这就是阵元的互 耦效应 相控阵天线由于互耦效应,阵元的有源输入阻抗不同于自由空间和普通阵列,而是随着 扫措角的变化而变化ε互耦越强,阵列孔径上幅相分布偏离预定的分布就越眀显。这将导致 天线与馈电网络失配,孔径效率降低,辐射方向图在某些地方会岀现深而陡的凹陷,扫描波 束在这些方向呈现盲点,阵列辐射场的极化特性也将恶化。 相控阵天线实现低旁瓣,超低旁瓣吋,阵元的互耦是个重要的硏究内容。但是相控阵 天线的初步设计中,往往不计阵元间的互耦,而用经典的阵列理论进行近似分析。 对于固定的工作频率和扫描角,若相控阵天线的阵元间距过大,扫描时辐射场除了主瓣 以外,在其它方向因场强同相叠加,会形成强度与主瓣相仿的辐射瓣,即栅瓣。如图所示 当泼长一定,扫描角固定为°时,红色的波束对应 绿色的波束对应 从图中可以清楚的看出,当增大时,波束除了在扫描方向出现主瓣外,由于叠加作用, 岀现了栅瓣。可见阵元间距扩大受到了扫描波瓣质量的限制ε相控阵天线阵元间距过大出现 多个栅瓣,使能量分散,增益下降,因此要避免_过大。 图对微波波束形状的影响 国武技论文在线 当然对于波束宽度,并不是什么吋候都是越窄越好。相控阵大线改变波束宽度的灵活性 是提髙雷达自适应能力的重要指标。例如,有的相控阵雷达为了解决在搜索和跟踪两种不同 状态时,数据率、观察空域和测试精庋等方面的矛盾,要求搜索时波束变宽,跟踪时波束变 窄。在对空搜索相控阵雷达中,为了减少地物杂波的影响,满足搜索空域的覆盖和提高搜索 速度,可在低仰角用窄波束,而在高仰角把波束展宽。 阵元间距是相控阵天线的基本参量。它的合理确定是相控阵天线电信设计的内容。阵元 间距的选择应以抑制栅瓣和满足宽角阻抗匹配为日标,它直接关系到天线阵的性能和造价 韶性能良好的相控阵天线若阵元数相同,则阵元间距大,阵列孔径互耦弱、增益髙。阵元 间距增大,天线阵的单程增益将提高。反之,若孔径尺寸一定,则阵元间距越大, 孔径内需要设置的阵元数就越少,相应的移相器、激劢器以及有源阵的高功率发射放大器、 低噪声接收放大器的薮量,以及相应的馈电网络,微波电路的负责性和规模都将减小。对于 大型相控阵天线,在不岀现栅瓣的情况下,选择尽可能大的阵元间距,使阵元数减少,产生 的经济效益十分可观。综上,并结合仿真结果, 时波形较好。 结论 在一定程度上,相控阵天线决定雷达的系统方案。相控阵天线的性能取决于下列五个要 素:阵元数,阵元的空间位置,阵元的激励复电流,阵元的结构形式,阵元的馈电方式。本 文对阵元数和阵元空间位置这两个要素对波形影响做了简要分析ε在相同的扫描角度和发射 波长的条件下,保持阵元距离一定,阵元数越大,波束的宽度越窄,副瓣电平越低,性能也 相对越好。但是阵元数过多,会使得相控阵天线体积庞大,冋时增加成本,也会带来一些其 他的问题。在扫描角度相冋,发射波长相冋,阵元数相冋情况下,通过仿真可以看出,阵元 距离过大,会在扫描时射场除了主瓣以外,在其它方向因场强同相叠加,会形成强度与主 瓣相仿的辐射瓣,即栅瓣。椩瓣的岀现使能量分散,增益下降。因此这样情况要避免。但是 并不是阵元距离越小越好。一部性能良好的相控阵天线若阵元数相同,则阵元间距大,阵列 孔径互耦弱、增益高。反之,若孔径尺寸一定,则阵元间距越大,孔径内需要设置的阵元数 就越少,相应的移相器、激劢器以及有源阵的高功率发射放大器、低噪声接收放大器的效量 以及相应的馈电网终,微波电路的负责性和规模都将减小。这在实践中是非常有意义的 参考文献 张光义相控阵雷达系统北京:国防工业出版社, 邱绍峰,范成《光纤廷迟线在雷达信号处理中的应用》光学技术

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2019-08-18
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